EKSPERIMENTHÆFTE. Energi på lager. Følg forskernes jagt på ren energi og fremtidens brændstoffer. CASE Catalysis for Sustainable Energy

Transkript

1 EKSPERIMENTHÆFTE Energi på lager Følg forskernes jagt på ren energi og fremtidens brændstoffer CASE Catalysis for Sustainable Energy

2 EKSPERIMENTHÆFTE Energi på lager Følg forskernes jagt på ren energi og fremtidens brændstoffer Elisabeth Wulffeld Anne Hansen CASE Catalysis for Sustainable Energy

3 Energi på lager DTU 1. udgave, 1. oplag, 2011 Oplag: Eksperimenthæfte kan frit hentes som pdf-fil på Ansv. redaktør: Anne Hansen, CASE Forfattere: Elisabeth Wulffeld, Anne Hansen, CASE Fagredaktører: Erik Both, lærebogsforfatter Henning Henriksen, lærebogsforfatter Dorthe Adamsen, skolekonsulent og lærer, Tårnby Kommune Charlotte Degn Bauner, lærer, Tårnby Kommune Elzebeth Wøhlk, skolekonsulent og lærer, Tårnby Kommune Knud Skov, skolekonsulent, Gladsaxe Kommune Ole Trinhammer, cand. scient., chefnanotekar, DTU Fysik samt forskere fra CASE, DTU En stor tak til alle for omhyggelig gennemgang af materialet og for mange gode råd og vejledning. Grafisk design og tilrettelæggelse: Grethe Kofoed Illustrator: Martin Ørsted Rasmussen Korrektur: Lene Bengtsen Tryk: Trykcentret Bogen er trykt på FSC-mærket papir. Undervisningsmaterialet er produceret og udgivet af forskningsinitiativet Catalysis for Sustainable Energy (CASE) ved Danmarks Tekniske Universitet. Undervisningsmaterialet er udgivet med støtte fra Nordea-fonden og Familien Hede Nielsens Fond. Eksterne samarbejdspartnere: CONCITO Danmarks grønne tænketank Haldor Topsøe A/S Scan koden med din mobil, og besøg Sms scan til 1220 for at hente program (almindelig smstakst).

4 Indhold 1.1: Energi gemt i batterier 5 1.2: Kobber styrer reaktionen 9 1.3: En overfladisk reaktion : Biologiske og ikke-biologiske katalysatorer : Colaspringvand : Hvor meget CO 2 kan en cola frigive? : Forbrændingsprodukter : Vand uden brus : Surt vand : Kvæl flammen : Gas i vand : Lysets energi : Fotosyntese : Brændselscelle : Elektrolyse : Fotokemi : Redoxreaktioner : Brænd en nød : Biobrændstoffer : Carbon i hverdagen : Plastik fra mælk 77 Klasseopgaven: Kan du arbejde som forsker? : Test din ånde : Kunstige lyn spalter nitrogen : Kemisk analyse : Ammoniak i piller 92

5 Kapitel 1: Fra sort til gul energi 1,5V 1,5 A 6V 1A V A Eksperiment 1.1: Energi gemt i batterier 5 Eksperiment 1.2: Kobber styrer reaktionen 9 Eksperiment 1.3: En overfladisk reaktion 12 Eksperiment 1.4: Biologiske og ikke-biologiske katalysatorer 15 mentos mint light Eksperiment 1.5: Colaspringvand 18 Scan koden med din mobil, og find flere eksperimenter på

6 Elevvejledning Kapitel 1: Fra sort til gul energi Eksperiment 1.1: Energi gemt i batterier Eksperiment om opladning og afladning af en blyakkumulator Formål I skal bygge en akkumulator. I skal oplade den og derefter vise, at den nu indeholder energi. I skal bruge Fortyndet svovlsyre (H 2 SO 4 ) (1 M) Afbryder (kontakt) Bægerglas (250 ml) Jævnstrømsforsyning Lampefatning Lysdioder (evt. med forskellig farve) Stopur To blyplader To pærer: 6 V 1 A og 1,5 V 1,5 A To krokodillenæb Tre ledninger Voltmeter Oplæg Batterier bruges til at gemme elektrisk energi, så man kan bruge den, når og hvor det er nødvendigt. I biler findes et batteri, der kaldes en akkumulator. Når bilen skal starte, er det strøm fra akkumulatoren, der drejer motoren rundt, til den kommer i gang. I en bilakkumulator er der seks celler i serie, der hver kan oplagre en vis mængde energi. Fordelen ved at koble flere celler sammen er, at man opbygger en større spændingsforskel, der passer til det apparat eller den motor, der skal drives. Spændingsforskellen over en bilakkumulator er 12 V. I dette eksperiment skal I dog blot opbygge en enkelt celle. Sådan gør I Opladning 1. Byg opstillingen som vist på tegningen øverst til venstre. De to blyplader i bægerglasset må ikke røre hinanden. Sæt et rødt krokodillenæb på den plade, der er forbundet til plus på strømforsyningen. 2. Fyld fortyndet svovlsyre i bægerglasset, til to tredjedele af pladerne er dækket. Sæt spændingsforskellen på strømforsyningen til 6 V. Hold kontakten nede, og oplad i et minut. Afladning 3. Byg opstillingen som vist på tegningen øverst til højre. Mål med et voltmeter spændingsforskellen mellem de to blyplader: V 4. Hold kontakten nede, og tag tid. Hvor længe lyser pæren? Yderligere eksperimenteren 5. Prøv at oplade i to minutter og se, hvor længe pæren derefter lyser ved afladning. 6. Oplad akkumulatoren i tre minutter, og mål tiden, pæren lyser ved afladning. Hvilken sammenhæng er der mellem opladningstid og afladningstid? 5

7 Elevvejledning Kapitel 1: Fra sort til gul energi 7. Hvad sker der med blypladerne under opladningen? 8. Udskift glødepæreopstillingen med en lysdiode. Kan akkumulatoren få dioden til at lyse? 9. Undersøg, om akkumulatoren kan få en lille motor til at køre. Måske skal I sætte flere akkumulatorer i serie for at få motoren til at køre? Hvor mange celler skal der til? 6

8 Lærervejledning Kapitel 1: Fra sort til gul energi Eksperiment 1.1: Energi gemt i batterier Eksperiment om opladning og afladning af en blyakkumulator Baggrundstekst Afsnittet Forskerne dyrker Solen Beskrivelse Eleverne oplader og aflader en elektrokemisk celle opbygget af to blyplader og svovlsyre. I elevteksten bruges betegnelsen akkumulator for denne opstilling, selvom dette navn kun er korrekt, hvis der er to eller flere celler sat sammen. Eleverne undersøger derefter energiindholdet i cellen, og om spændingsforskellen over cellen er tilstrækkelig til at få en motor til at køre. Forklaringer Opladning og afladning Ved den første opladning af to rene blyplader sker der følgende: Ved blypladen forbundet til den positive pol på strømforsyningen dannes to oxygenatomer gennem spaltning af vand. Disse to atomer reagerer med blypladens overflade, så der dannes blydioxid (PbO 2 ). Ved blypladen forbundet til strømforsyningens negative pol dannes der hydrogen, der bobler op af opløsningen. Her sker der intet med blypladen. Efter opladningen er de to plader forskellige, og med svovlsyren virker de som et galvanisk element (elektrokemisk celle) med PbO 2 -pladen som den positive pol. Ved afladningen dannes der hydrogenioner ved PbO 2 -pladen. Hydrogenionerne reagerer med PbO 2, så der dannes blymonooxid (PbO) og vand. PbO reagerer med svovlsyren, så der dannes blysulfat (PbSO 4 ). Processerne kan skrives som: PbO e H + PbO + H 2 O (1) PbO + H 2 SO 4 PbSO 4 + H 2 O (2) Ved den anden blyplade, den negative pol ved afladningen, reagerer vand med blypladen og danner PbO, som derefter omdannes til PbSO 4 på samme måde som vist ovenfor. Når cellen er helt afladet, er overfladerne på begge blyplader omdannet til PbSO 4 og således helt ens. Derfor er der ikke længere nogen spændingsforskel mellem dem. Ved den anden opladning er de to blyplader dækket med PbSO 4, der oplades. Ved den plade, hvor strømmen løber ind i cellen, reagerer vand med PbSO 4 på følgende måde: PbSO H 2 O PbO 2 + H 2 SO H e - De to hydrogenioner angriber PbSO 4 på den plade, hvor strømmen løber væk, på denne måde: 7 PbSO H e - Pb + H 2 SO 4 Ved denne anden opladning omdannes pladerne altså til henholdsvis PbO 2 og rent bly. Ved opladningen forbruges vandmolekyler, og der dannes svovlsyremolekyler. Cellen indeholder derfor mest svovlsyre, når den er fuldt opladet. Vandet gendannes under afladningen under forbrug af svovlsyre. Der oplagres mere energi i cellen, jo længere tid den oplades. Den tilførte energi er for en kortere tid propor-

9 Lærervejledning Kapitel 1: Fra sort til gul energi tional med opladningstiden. Elevernes målinger af tiden, som pæren lyser ved afladningen, vil derfor også være proportional med opladningstiden. Hvis eleverne ved afladningen finder på at sætte flere pærer ind, vil cellen blive hurtigere afladet. Under opladning eller afladning bliver det aktive overfladeareal mindre. Det bevirker, at hastigheden af de ovenstående reaktioner falder for til sidst at gå i stå. Denne ændring vil være særlig mærkbar, jo mindre aktiv overflade der er tilbage Spændingsforskellen over cellen er 2 V. En bilakkumulator har en spændingsforskel på 12 V, fordi der sidder seks celler i serie. Batterier som energilagre Batterier bliver brugt i stor udstrækning til at gemme elektrisk energi og findes i dag i et utal af elektriske apparater som biler (akkumulatoren), mobiltelefoner, computere og kameraer. Batterier har dog den svaghed, at de ikke er velegnede til at lagre meget store mængder elektricitet, og at selv de genopladelige har en relativ kort levetid. Det sidste kender de fleste sikkert fra batterierne i deres bærbare computere. Disse svagheder betyder, at batterier ikke er egnet til at gemme overskydende strøm fra vindmøller eller solceller. Mængden og prisen på batterierne vil blive for stor og levetiden for kort til, at det er økonomisk rentabelt. Af de samme årsager er udbredelsen af elbiler stadig meget begrænset, og når det drejer sig om at skaffe energi til supertankere, flyvemaskiner og lastbiler, er det nødvendigt at arbejde med andre energibærere end batterier. I CASE arbejder forskerne derfor med at gemme overskydende vedvarende energi på kemisk form som ethanol, hydrogen og ammoniak. Gode råd til eksperimentets udførelse 1. Man kunne tænke sig, at man ved at rense blypladerne inden opladningen kunne måle en spændingsforskel på nul mellem pladerne. Det er dog meget vanskeligt at rense blypladerne så godt, at voltmetret ikke giver udslag. 2. Batteriet skal oplades med 6 volt jævnstrøm. Husk at forbinde den positive pol på strømforsyningen til den samme plade, hver gang der oplades. 3. Opladestrømmen må ikke være for kraftig, da man ellers risikerer, at en væsentlig del af energitilførslen bruges til spaltning af vand i stedet for til at omdanne pladerne. Pæren i kredsløbet hindrer, at opladningsstrømstyrken bliver for stor. Opladningen må heller ikke vare for længe. Når pladen forbundet til den positive pol er blevet fuldstændig dækket af det brune lag blydioxid (PbO 2 ), kan man ikke oplade batteriet mere, og yderligere energitilførsel går blot til spilde. 4. Det anbefales, at eleverne bruger beskyttelsesbriller under eksperimentet. En 1 M svovlsyre er mærket med faresymbolet Xi, lokalirriterende. Irriterer øjnene og huden. Opbevares utilgængeligt for børn. Kommer stoffet i øjnene, skylles straks grundigt med vand, og læge kontaktes. 8

10 Elevvejledning Kapitel 1: Fra sort til gul energi Eksperiment 1.2: Kobber styrer reaktionen Kobber som katalysator Formål I skal undersøge, hvordan kobber påvirker hastigheden af en kemisk reaktion uden selv at blive forbrugt. I skal bruge Svovlsyre (H 2 SO 4 ) (1 M) Beskyttelsesbriller Fire reagensglas Hammer Kobberblik Kobberspåner Måleglas (10 ml) Pladesaks eller kraftig saks Reagensglasstativ Tre zinkstykker Oplæg Metallet zink (Zn) reagerer med svovlsyre (H 2 SO 4 ), så der dannes hydrogen (H 2 ). Denne reaktion går hurtigere, hvis man bruger kobber som katalysator. En katalysator er nemlig et materiale, der sætter fart på kemiske reaktioner uden selv at blive forbrugt i reaktionen. Man kan måle reaktionshastigheden ved at iagttage, hvor hurtigt der dannes bobler. Husk at bruge beskyttelsesbriller. Sådan gør I 1. Sæt fire reagensglas i et reagensglasstativ. 2. Læg nogle kobberspåner i det første glas: glas Læg et stykke ubrugt zink ned i glas 2 og glas Læg så mange kobberspåner ned i glas 3, at der er god kontakt mellem kobberet og den nederste del af zinkstykket. 5. Klip et lille stykke kobberblik ud med en pladesaks, og buk det omkring den ene ende af et stykke ubrugt zink. Bank kobberet fast på zinkstykket med en hammer. Læg zink-kobberstykket ned i glas 4, så kobberet sidder øverst. 6. Hæld 5 ml fortyndet svovlsyre ned i hvert af de fire glas. 7. Sammenlign efter et stykke tid, hvor meget hydrogen der udvikles i de fire glas. Giv en forklaring på jeres iagttagelser: 9

11 Lærervejledning Kapitel 1: Fra sort til gul energi Eksperiment 1.2: Kobber styrer reaktionen Kobber som katalysator Baggrundstekst Afsnittet Kemiske katte Beskrivelse Eleverne undersøger kobbers effekt på hastigheden af den kemiske reaktion mellem zink og svovlsyre. Effekten vurderes ud fra mængden af hydrogenbobler i opløsningen. Desuden undersøger eleverne kobbers katalytiske virkning ved forsøg med zink og kobber. Forklaringer Reaktion mellem zink og svovlsyre Dannelse af hydrogen gennem reaktionen mellem zink og svovlsyre forløber kun meget langsomt. Hydrogendannelsen sker ved følgende reaktion: Zn + H 2 SO 4 ZnSO 4 + H 2 I glas 1 sker der ingen udvikling af hydrogen. I glas 2 bør det gå langsomt. I glas 3 og glas 4 vil kobberet, hvor det er i kontakt med zinkoverfladen, virke som en katalysator, og reaktionerne bør derfor forløbe hurtigere end i glas 2. Det skyldes, at hydrogen lettere dannes på kobberoverfladen end på zink. Den største mængde hydrogen dannes, hvor kobberet er i direkte kontakt med zinkstykket. Dette ses særlig tydeligt i glas 4, hvor hydrogenudviklingen sker på den øverste del af zinkstykket. Ved at sammenligne glas 3 og 4 kan eleverne altså konkludere, at kontaktfladen mellem kobber og zink er bestemmende for, hvor reaktionen finder sted. Heterogen og homogen katalyse I dette eksperiment, hvor katalysatoren er på fast form, og reaktanterne er på henholdsvis fast og flydende form, er der tale om såkaldt heterogen katalyse. Hvis katalysatoren derimod er på samme form som reaktanterne (typisk gasform), er der tale om homogen katalyse. I elevbogen refererer katalysatorer oftest til heterogene katalysatorer, da disse er omdrejningspunktet for forskningen i CASE. Kobber som katalysator i industrien Ønsket om at fremstille ethanol eller længere alkoholer med CO 2 som carbonkilde er i dag mere relevant end nogensinde på grund af verdens stigende behov for CO 2 -neutrale brændstoffer. Kobber har været kendt i mere end 20 år som den bedste katalysator til fremstillingen af methanol fra CO 2. Desværre har kobber en lav effektivitet som katalysator og en ringe selektion imod dannelsen af ethanol og længere alkoholer. I CASE har forskerne nærstuderet kobbers egenskaber som katalysator for at kortlægge bindingsværdierne mellem kobber og CO 2 i alle de mellemstadier, der skal til for at danne en alkohol. Undersøgelserne gør forskerne klogere på, hvorfor katalysatoren styrer reaktionen mod methanol som produkt frem for ethanol. Resultaterne er vigtige for udviklingen af nye, mere effektive ethanolkatalysatorer, og for første gang i over 20 år er det faktisk lykkedes at finde et materiale med gode katalysatoregenskaber til dannelsen af ethanol. Katalysatoren, der består af en legering af nikkelgallium (NiGa), skal udforskes yderligere, men den er et vigtigt skridt på vejen til effektive ethanolkatalysatorer. 10

12 Lærervejledning Kapitel 1: Fra sort til gul energi Gode råd til eksperimentets udførelse 1. Det er vigtigt, at eleverne bruger nye zinkstykker. Hvis zinkstykkerne tidligere har været brugt til eksperimenter med en kobbersulfatopløsning, kan de se helt blanke ud. Disse brugte zinkstykker har imidlertid små mængder kobber på overfladen, så hydrogenudviklingen går hurtigere på disse zinkstykker end på helt ubrugte zinkstykker. 2. Hvis man vil vise, at kobberet ikke bliver forbrugt ved reaktionen, kan det for eksempel gøres ved at tilsætte så meget syre, at hele zinkstykket oxideres. Herved vil man se, at kobberet er fuldt og helt bevaret. Et normalt stykke zink vejer typisk maksimalt 1,8 g. For at alt zink skal reagere, skal der bruges 28 ml 1 M svovlsyre. Det er for meget til, at det kan være i et reagensglas. Hvis man derimod bruger en 2 M svovlsyre, skal der kun bruges 14 ml. Det er en passende mængde til et reagensglas. Man skal regne med at lade reagensglasset stå i mere end en time, før alt zink har reageret. 3. En 1 M svovlsyre er mærket med faresymbolet Xi, det vil sige lokalirriterende. Syren irriterer øjnene og huden og skal opbevares utilgængeligt for børn. Kommer stoffet i øjnene, skylles straks grundigt med vand, og læge kontaktes. 4. En 2 M svovlsyre er mærket med faresymbolet C, det vil sige alvorlig ætsningsfare. Syren opbevares under lås og utilgængeligt for børn. Kommer stoffet i øjnene, skylles straks grundigt med vand, og læge kontaktes. Hæld aldrig vand på eller i produktet. Ved ulykkestilfælde eller ved ildebefindende er omgående lægebehandling nødvendig; vis etiketten, hvis muligt. 11

13 Elevvejledning Kapitel 1: Fra sort til gul energi Eksperiment 1.3: En overfladisk reaktion Eksperiment om partikelstørrelsens betydning for kemiske reaktioner Formål I skal undersøge, hvordan overfladearealets størrelse påvirker hastigheden af kemiske reaktioner. I skal bruge Marmorklumper (CaCO 3 ) Saltsyre (HCl) (1 M) Beskyttelsesbriller Filterpapir Hammer Måleglas (10 ml) Tragt Tre balloner i forskellige farver Tre reagensglas Reagensglasstativ Vægt Oplæg Kemiske reaktioner sker altid på overfladen af et eller flere af de faste materialer, der reagerer med hinanden. Det er nemlig her, de reagerende stoffer kommer i kontakt med hinanden. Derfor har størrelsen af overfladen betydning for, hvor hurtigt en reaktion forløber. I dette eksperiment skal I undersøge betydningen af overfladearealets størrelse for hastigheden af reaktionen mellem det faste stof calciumcarbonat (CaCO 3 ) og saltsyre (HCl). Når CaCO 3 og HCl reagerer med hinanden, bliver der dannet vand (H 2 O), saltet calciumchlorid (CaCl 2 ) og gassen carbondioxid (CO 2 ): 12 CaCO HCl CaCl 2 + H 2 O + CO 2 Sådan gør I 1. Læg tre forskelligt farvede balloner oven på hinanden, og stræk dem flere gange. 2. Fold et filterpapir to gange, og åbn det igen. Læg det på vægten, og nulstil (tarer). 3. Afvej 1 g marmorklumper (1-2 klumper). 4. Hæld marmorklumperne ned i den ene ballon. Noter farven på ballonen i skemaet. 5. Hæld et par nye marmorklumper ud på bordet. Tag beskyttelsesbriller på, og slå klumperne i mindre stykker med hammeren. 6. Gentag punkt 2-4. Afvej denne gang 1 g marmorstykker på størrelse med riskorn. Sæt eventuelt en tragt i ballonen for lettere at få marmoret ned i den anden ballon. 7. Gentag punkt 2-4, men afvej nu 1 g groft pulveriseret marmor. Hæld pulveret ned i den tredje ballon. 8. Stil tre reagensglas i stativet, og hæld 5 ml saltsyre i hvert reagensglas. 9. Sæt ballonerne på reagensglasset, uden at marmoret kommer ned i glasset. Lad ballonerne hænge ned langs glasset, mens I sætter dem på. Sørg for, at hver ballon sidder godt 1 cm ned over mundingen på glasset og ikke sidder skævt mod den ene side. 10. Rejs alle balloner op på én gang, så marmoret falder samtidigt ned i glassene. Slip derefter ballonerne. 11. Noter rækkefølgen af ballonerne, der rejser sig op.

14 Elevvejledning Kapitel 1: Fra sort til gul energi 12. Læg mærke til, hvor længe væsken bruser i hvert glas, og noter forskelle. Store marmorklumper Ballonfarve Rækkefølge Brusets varighed Mellem marmorstykker ( riskorn ) Groft marmorpulver Efterbehandling 1. Hvad får ballonerne til at rejse sig? 2. Til højre ses en terning, hvor arealet af hver side er 9. Beregn terningens totale overfladeareal. 3. Til højre ses en terning af samme størrelse brudt op i mindre terninger. Her er arealet af hver lille side 1. Beregn den lille ternings overfladeareal. 4. Udregn, hvor mange små terninger der går på en stor, og beregn de små terningers samlede overfladeareal. 5. Sammenlign overfladearealet af den store terning med summen af de små terningers overfladeareal. Hvilket er størst? 6. Ud fra dit resultat i spørgsmål 5 hvilken af de tre portioner marmor tror du så har det største overfladeareal? 7. Ud fra rækkefølgen af ballonerne, der rejser sig, og størrelsen af marmorstykkerne i de tre eksperimenter hvilken betydning vil I så vurdere, at overfladearealet har på reaktionshastigheden? 8. Hvordan stemmer svaret i spørgsmål 5 overens med, hvor længe væsken i hvert af de tre glas var om at bruse af? 13

15 Lærervejledning Kapitel 1: Fra sort til gul energi Eksperiment 1.3: En overfladisk reaktion Eksperiment om partikelstørrelsens betydning for kemiske reaktioner Baggrundstekst Afsnittet Kemiske katte Beskrivelse Eleverne påviser, at den kemiske reaktion mellem det faste stof calciumcarbonat og saltsyre forløber hurtigere, jo større overfladen af calciumcarbonat er. Forklaringer Når saltsyre (HCl) og calciumcarbonat (CaCO 3 ) reagerer, sker følgende reaktion: CaCO 3 (s) + 2 HCl (aq) CaCl 2 (aq) + H 2 O (l) + CO 2 (g) Eleverne kan iagttage og vurdere reaktionens hastighed på forskellene mellem, hvor hurtigt de tre balloner på reagensglassene rejser sig. Trykket af dannet CO 2 i ballonerne er dog ikke stort nok til at puste ballonerne op, så eksperimentet giver ikke et mål for, hvor meget CO 2 der dannes. Gasudviklingen sker hurtigst i reagensglasset med de mindste stykker calciumcarbonat. Her findes det største overfladeareal af det faste stof og dermed også den største kontaktflade mellem de to reaktanter. Af samme årsag løber reaktionen i dette glas også først til ende, hvilket eleverne konstaterer ved, at dannelsen af CO 2 -bobler i væsken ophører. Sammenligningen af den store ternings samlede overfladeareal, når den er henholdsvis intakt og brudt op i mindre terninger, skal illustrere for eleverne, at mange små partikler har en større samlet overflade end en større partikel med samme masse. Heraf kan de konkludere, at de mindste stykker marmor ligeledes har et større samlet overfladeareal end de større stykker, da de bruger samme masse (1 g) i alle tre eksperimenter. Calciumcarbonat er en reaktant og omdannes i reaktionen i modsætning til en katalysator, der er kendetegnet ved at øge hastigheden af kemiske reaktioner uden selv at blive forbrugt. Overfladearealet på en fast katalysator har dog lige så stor betydning for dennes effektivitet, da den katalytiske reaktion også sker på overfladen af katalysatoren. Dette eksperiment kan derfor bruges i forbindelse med det afsnit og de af kapitlets øvrige eksperimenter, der fokuserer på funktionen og brugen af katalysatorer. Virkelighedens katalysatorer fremstilles ofte i nanostørrelse, netop for at hæve deres virkningsgrad. Gode råd til eksperimentets udførelse 1. Brug eventuelt et skærebræt eller en voksdug for at skåne bordfladen, når eleverne knuser marmorstykker. 2. Efterbehandlingen kan udbygges til at handle om variabler i eksperimentet. Start med at forklare, at overfladearealet er en variabel, det vil sige en faktor, der kan påvirke eksperimentet. Det er den eneste variabel, eleverne ændrer på. Spørg så eleverne, hvilke andre variabler de tror kan påvirke hastigheden af reaktionen. For eksempel kunne de ændre mængden af calciumcarbonat, koncentrationen og mængden af saltsyre eller den omgivende temperatur. 14

16 Elevvejledning Kapitel 1: Fra sort til gul energi Eksperiment 1.4: Biologiske og ikke-biologiske katalysatorer Spaltning af hydrogenperoxid med et enzym og en laboratorieskabt katalysator Formål I skal udføre et eksperiment, hvor I undersøger effektiviteten af enzymer og ikke-biologiske katalysatorer. I skal bruge Brunsten (MnO 2 ) Hydrogenperoxid (brintoverilte, H 2 O 2 ) (3 %) Lever fra kylling eller andet dyr Rå kartoffel Sulfosæbe (opvaskemiddel) Bunsenbrænder Fem store reagensglas Kniv Reagensglasstativ Spatel Træklemme Træpind Oplæg Hydrogenperoxid har formlen H 2 O 2. Det findes opløst i vand. H 2 O 2 er ustabilt og spaltes langsomt til oxygen (O 2 ) og vand. Tilsætningen af enten en biologisk katalysator, det vil sige et enzym, eller en ikke-biologisk katalysator kan sætte fart på reaktionen. Spaltningen af H 2 O 2 kan skrives som: 2 H 2 O 2 2 H 2 O + O 2 Sådan gør I 1. Stil fem reagensglas i et reagensglasstativ. Hæld nogle dråber sulfosæbe ned i hvert glas. 2. Skær tre lige store, terningformede stykker ud af en rå kartoffel. Undgå skrællen. Sidelængden af terningerne skal være, så et kartoffelstykke kan glide ned i et reagensglas. 3. Læg et stykke kartoffel ned i det første reagensglas, og fyld det halvt op med vand. Sæt en træklemme omkring glasset. Tænd en bunsenbrænder, og hold glasset ind i flammen. Pas på stødkogning. 4. Hæld vandet ud i vasken, når vandet har kogt cirka et minut. Lad det kogte kartoffelstykke blive i glasset. 5. Læg et stykke rå kartoffel i det andet glas. 6. Hak det tredje stykke kartoffel, og læg stykkerne ned i det tredje glas. 7. Hak leveren fint, og læg en halv teskefuld ned i det fjerde glas. 8. Hæld en halv spatelfuld brunsten (mangandioxid, MnO 2 ) ned i det femte glas. 9. Hæld hydrogenperoxid i alle fem glas, til glassene er halvt fyldt. Når det bruser kraftigt i et af glassene, skal I tænde en træpind. Når den har brændt et stykke tid, skal I puste flammen ud, så der kun er gløder tilbage på spidsen af pinden. Hold det glødende træ helt hen til skummet, dog uden at pinden rører det. Hvad ser I? Giv en forklaring på det observerede: 15

17 Elevvejledning Kapitel 1: Fra sort til gul energi Hvordan var reaktionshastigheden i de fem glas? Forklar, hvorfor reaktionshastigheden er forskellig i glassene: Forklaring I kartofler og lever findes enzymet katalase. Enzymer er biologiske katalysatorer, der sætter skub i eksempelvis kroppens kemiske reaktioner. Enzymer kan ikke tåle høje temperaturer, derfor ødelægges katalasen, når I koger kartoflen. Brunsten (mangandioxid, MnO 2 ) er ligesom katalase en katalysator. Brunsten stammer dog ikke fra en levende organisme, men er fremstillet i laboratoriet, derfor kaldes det for en ikke-biologisk eller uorganisk katalysator. Jo større kontaktflade enzymet eller katalysatoren har, jo flere molekyler kan den komme i kontakt med, og jo mere effektiv er den. 16

18 Lærervejledning Kapitel 1: Fra sort til gul energi Eksperiment 1.4: Biologiske og ikke-biologiske katalysatorer Spaltning af hydrogenperoxid med et enzym og en laboratorieskabt katalysator Baggrundstekst Afsnittet Kemiske katte Beskrivelse Eleverne eksperimenterer med spaltningen af hydrogenperoxid (H 2 O 2 ) ved hjælp af enzymet katalase fra kartofler og lever og ved hjælp af den uorganiske katalysator brunsten (MnO 2 ). De konkluderer, at begge stoffer øger hastigheden på reaktionen, og at enzymet ødelægges, når kartoflen koges. Forklaringer Reaktionen I det første glas dannes der ingen O 2 -gas, fordi katalasen i kartoflen er blevet ødelagt ved kogning. I det andet glas er der en behersket reaktion, mens reaktionen i det tredje glas er kraftigere, fordi den findelte kartoffel har en større kontaktoverflade med væsken. I glassene med hakket lever og brunsten har henholdsvis katalasen og katalysatoren endnu bedre kontakt til væsken, og reaktionerne er derfor kraftigere. Sæbeskummet bliver pustet op af den dannede oxygen, hvilket eleverne får bekræftet ved at stikke en glødende træpind hen til skummet (uden at pinden rører det). Skummet falder sammen, fordi glødepinden forbruger O 2. Hydrogenperoxid H 2 O 2 bruges blandt andet som desinfektionsmiddel. For eksempel findes det i lægemidlet Oxydol, der bruges til at rense sår på huden for bakterier, som dræbes af det frigivne oxygen. Ved udvendige sår kan man se, at det bruser på såret, fordi der frigives oxygen. Hydrogenperoxid er blandt verdens 15 mest producerede kemikalier. Den industrielle produktion er en kompliceret proces, der involverer hydrogenering af en såkaldt anthraquinon ved hjælp af en nikkel- eller palladiumkatalysator frem for direkte oxidering af hydrogen. En rentabel produktion kræver derfor fremstilling i tonsvis i store, centraliserede anlæg, hvorfra H 2 O 2 distribueres. Under tsunamien i det Indiske Ocean i 2004 løb man i Thailand tør for desinfektionsmiddel på grund af det store forbrug og den lange distributionsvej fra H 2 O 2 -fabrikkerne. Hvis man kunne fremstille hydrogenperoxid direkte fra hydrogen og oxygen, ville det være muligt at producere det i mindre skala på lokale fabrikker og dermed spare både tid og store mængder energi på fremstilling og transport. Forskerne har ledt efter katalysatorer til direkte oxidering af hydrogen i over 100 år, men endnu uden held. Den nyeste forskning tyder dog på, at man kan lave en egnet katalysator af guld og palladium. Katalase Kartofler indeholder enzymet katalase. Det samme gør dyr og mennesker. Enzymet omdanner det hydrogenperoxid, der ved forskellige processer dannes i cellerne. Hydrogenperoxid er nemlig en kraftig cellegift, der skal fjernes så hurtigt som muligt. Katalase er da også det mest effektive af alle kendte enzymer og kan omsætte 10 millioner H 2 O 2 -molekyler/sek. Andre enzymer omsætter typisk molekyler i sekundet. Katalasen spalter hydrogenperoxid til vand og oxygen. Man kan vise spaltning af hydrogenperoxid ved at tilsætte en dråbe blod fra et menneske eller et stykke kyllingelever, som begge indeholder katalase. Katalysatorer er uorganiske stoffer, mens enzymer er organiske. Sidstnævnte er desuden proteiner og ødelægges derfor ved for høj temperatur. Gode råd til eksperimentets udførelse 1. Koncentreret hydrogenperoxid er en 30 %-opløsning. Den må eleverne ikke bruge. I stedet fremstiller læreren en 3 %-opløsning (kan også købes på apoteket). 2. I eksperimentet bruges brunsten som katalysator. Man kunne også bruge pulveriseret kul, for eksempel trækul. Katalysatorer bruges ofte som findelt pulver, for at overfladen skal blive så stor som mulig. 17

19 Elevvejledning Kapitel 1: Fra sort til gul energi Eksperiment 1.5: Colaspringvand Eksperiment med katalysatorer Formål I skal vise, at en kemisk reaktion forløber hurtigere, når I tilsætter en katalysator. Derefter skal I opstille og afprøve hypoteser for, hvordan I kan påvirke reaktionen. I skal bruge En pakke Smarties (14 pastiller) To ruller mint Mentos (28 pastiller) En flad halvliters sukkerfri Cola (åbnet dagen forinden) To friske halvliters sukkerfri Cola Karton Målebæger (500 ml) Saks Si Tape mentos light mint Oplæg Sodavand indeholder kulsyre (H 2 CO 3 ), som er dannet ved at opløse carbondioxid (CO 2 ) i væsken under tryk: H 2 O + CO 2 H 2 CO 3 (1) (carbondioxid) (kulsyre) Når låget skrues af sodavandsflasken, omdannes noget af H 2 CO 3 hurtigt til bobler af CO 2, der bruser op af væsken og ud af flasken. Det sker, fordi trykket inde i flasken falder til trykket i luften udenfor. Resten af H 2 CO 3 bliver derefter langsomt omdannet til CO 2, indtil der opstår en ligevægt mellem mængden af CO 2, der er opløst som H 2 CO 3 i sodavanden, og mængden af fri CO 2 i luften: H 2 CO 3 (sodavand) CO 2 (luft) + H 2 O (sodavand) (2) Dannelsen af CO 2 (2) sker ikke så let frit i væsken. Boblen skal helst have en overflade, som den kan dannes på, eksempelvis en lille urenhed eller en ujævnhed på indersiden af flasken. Hvis vi gerne vil have reaktionen til at løbe hurtigere, kan vi tilsætte en katalysator. En katalysator er nemlig et materiale, der sætter fart på kemiske reaktioner. I dette eksperiment er katalysatoren en Mentos. Mentospastillen har en meget ru overflade, og når vi smider den ned i sodavanden, øger den arealet af den samlede overflade, som CO 2 kan dannes på. Sådan gør I Eksperiment 1 1. Lav et rør af karton, cirka 2,2 cm i diameter og 15 cm i højden. Kontroller rørets diameter ved at skubbe en uåbnet pakke Mentos ned i røret. Den skal let falde igennem, dog uden for meget luft mellem pakken og røret. 18

20 Elevvejledning Kapitel 1: Fra sort til gul energi 2. Hold et stykke karton under røret, og fyld røret med 14 mint Mentos. Pastillerne skal ligge stablet i én søjle. Hvis nogle af pastillerne ligger side om side, blokerer de flaskens åbning, når de falder ned. 3. Stil en halvliters sukkerfri Cola udendørs eller i en stor vask. 4. Åbn flasken, og hold røret med Mentos lige over flaskens åbning som vist på tegningen på forrige side. Fjern hurtigt kartonen under røret, og fjern hurtigt hånden, når pastillerne er faldet ud af røret. 5. Si den tilbageværende væske fra flasken over i et målebæger. Noter mængden i skemaet herunder. Eksperiment 2 og 3 I skal nu lave to eksperimenter mere. Først skal I opstille to hypoteser, det vil sige prøve at forudsige, hvordan reaktionen forløber, når: A. Der er mindre H 2 CO 3 i colaen (sodavanden er flad ). Hypotese: B. Katalysatoren har en mindre overflade. Hypotese: Væske Katalysator ml væske tilbage Frisk sukkerfri Cola Flad sukkerfri Cola Frisk sukkerfri Cola 14 mint Mentos 14 mint Mentos 14 Smarties 6. Gentag punkt 2-5 med en flad Cola. 7. Gentag punkt 2-5 med 14 Smarties. 8. Beskriv, hvad der skete i punkt 6 og 7. Passer jeres hypoteser med det, I observerede? 9. Diskuter i klassen, hvilket eksperiment der virkede bedst, det vil sige, hvor der brusede mest cola og dermed CO 2 ud af flasken. Hvorfor var dette forsøg bedst? 10. Hvilke fejlkilder kan have påvirket eksperimenterne? 11. Hvorfor tror I, det er vigtigt, at alle klassens hold bruger colaer med samme udløbsdato, når I sammenligner jeres resultater? 19

21 Lærervejledning Kapitel 1: Fra sort til gul energi Eksperiment 1.5: Colaspringvand Eksperiment med katalysatorer Baggrundstekst Afsnittet Kan du arbejde som forsker? mentos light mint Beskrivelse Eleverne tilsætter Mentospastiller og Smarties til friske og flade sodavand og iagttager reaktionen. Undervejs opstiller og afprøver de hypoteser om pastillernes virkning. Forklaringer Ideen bag dette eksperiment er at illustrere virkningen af en katalysator. En katalysator er et materiale, der øger hastigheden af en kemisk reaktion. I dette eksperiment er katalysatoren Mentospastillerne. Kendetegnende for en katalysator er, at den ikke selv forbruges i reaktionen og derfor kan bruges gentagne gange. Da Mentospastillerne over tid opløses i colaen, er sammenligningen med en katalysator med hensyn til denne egenskab en forenkling. Reaktionen I sodavand er CO 2 opløst som kulsyre (H 2 CO 3 ), og omdannelsen til gassen CO 2 sker ikke så let frit i væsken. Der skal helst være en overflade, som bryder væskens overfladespænding, og som boblerne derved kan dannes på, eksempelvis indersiden af flasken. Ved at tilsætte Mentospastiller øges overfladearealet kraftigt og udløser en næsten eksplosiv frigivelse af CO 2 fra colaen. I eksperimentet skal eleverne bruge mint Mentos frem for frugt Mentos, da de førstnævnte har en mere ru overflade. Gummi arabicum på Mentosoverfladen nedsætter ligeledes overfladespændingen. Endelig kan sammensætningen af andre overfladeingredienser også påvirke væskens overfladespænding og dermed reaktionshastigheden. Densiteten af pastillerne påvirker også reaktionshastigheden. Mentospastiller har en større densitet end vand og synker derfor hurtigt til bunden af flasken. Undervejs danner de bobler, der fungerer som endnu en overflade, hvorpå der dannes yderligere CO 2. Smarties sætter derimod mindre fart på reaktionshastigheden, fordi de har et mindre overfladeareal, og fordi de synker langsommere. Man bør være opmærksom på, at Smartiespastillernes overfladeingredienser er forskellige fra Mentospastillernes. Dette er således også en variabel, der kan påvirke reaktionshastigheden. Denne er dog ikke medtaget i elevforsøget. Sukkerfri cola er bedre til eksperimentet end almindelig cola, fordi de sukkerfrie varianter indeholder sødemidlet aspartam og konserveringsmidlet kaliumbenzoat. Begge stoffer nedsætter overfladespændingen i væsken, så reaktionen forløber hurtigere. Gode råd til eksperimenternes udførelse 1. Eksperimentet hører til udendørs eller kræver en stor vask, da det sviner meget. 2. Brug sukkerfri cola, da det klistrer mindre og virker bedre end almindelig cola. 3. CO 2 diffunderer igennem plastikflasker, så over tid mister colaen sin brus. Brug derfor colaer med samme udløbsdato, så mængden af dannet CO 2 bedst kan sammenlignes. 4. Brug colaer med samme temperatur. Som alle andre gasser er CO 2 mindre opløselig i varmt vand. Varm cola frigiver derfor mere gas end kold cola. Fejlkilder 1. Mængden af CO 2 kan variere fra cola til cola. Det samme gælder temperaturen. 2. Mentospastillerne kan ligge forskelligt fra rør til rør og dermed falde ned i colaerne med forskellige hastigheder. 3. Noget af væsken fra springvandet kan falde tilbage i flasken.

22 Kapitel 2: Fra miljøsynder til eftertragtet råstof Eksperiment 2.1: Hvor meget CO 2 kan en cola frigive? 22 Eksperiment 2.2: Forbrændingsprodukter 25 Eksperiment 2.3: Vand uden brus 28 Eksperiment 2.4: Surt vand Eksperiment 2.5: Kvæl flammen 36 Eksperiment 2.6: Gas i vand Scan koden med din mobil, og find flere eksperimenter på

23 Elevvejledning Kapitel 2: Fra miljøsynder til eftertragtet råstof Eksperiment 2.1: Hvor meget CO 2 kan en cola frigive? Eksperiment med CO 2 på gasform Formål I skal finde massen af carbondioxid (CO 2 ), der bruser ud af en cola. I skal bruge En halv liter cola Vægt (nøjagtighed 0,1 g, gerne 0,01 g) Oplæg CO 2 er en gas, som altid findes omkring os. For eksempel udånder både dyr og mennesker CO 2. Gassen bruges også til mange formål i industrien, for eksempel til at lave brus i cola og andre sodavand. CO 2 opløses i cola under tryk og reagerer efterfølgende delvist med vandet i væsken og danner kulsyre (H 2 CO 3 ): H 2 O + CO 2 H 2 CO 3 (1) (carbondioxid) (kulsyre) Når låget skrues af colaflasken, falder trykket, og noget af det opløste CO 2 bruser op som bobler. Resten af H 2 CO 3 bliver imens langsomt omdannet til CO 2, indtil der opstår en ligevægt mellem mængden af CO 2 i sodavanden og mængden af fri CO 2 i luften: H 2 CO 3 (cola) CO 2 (luft) + H 2 O (cola) (2) Sådan gør I 1. Stil den uåbnede cola på vægten, og nulstil (tarér). Noter massen i skemaet nedenfor. 2. Åbn forsigtigt flasken, og lad CO 2 sive ud. Undgå, at der løber væske ud af flasken. 3. Skru låget helt på igen, og vej flasken. Noter massen. 4. Vend roligt den lukkede flaske op og ned et par gange. 5. Skru forsigtigt (!) låget af igen, og lad CO 2 sive ud. 6. Skru låget helt på igen, og vej igen flasken. Noter massen. 7. Gentag punkt 4-7 cirka 30 gange, eller indtil massen ikke længere falder markant. I kan ryste flasken lidt kraftigere for hver gang. Ryst nummer (Uåbnet cola) Masse/g Ryst nummer Masse/g Ryst nummer Masse/g 22

24 Elevvejledning Kapitel 2: Fra miljøsynder til eftertragtet råstof Efterbehandling 1. Indsæt jeres tal for massen af flaske og cola efter hvert ryst i grafen nedenfor. Masse ved start Masse af flaske med cola (gram) Masse ved slut Antal gange flasken er blevet rystet 2. Udregn det totale massetab i gram. 3. Et gram CO 2 fylder 0,55 liter (ved 20 C og normalt atmosfærisk tryk). Beregn, hvor mange liter den totale mængde CO 2 frigivet fra eksperimentet fylder. 4. Sammenlign jeres resultater med resten af klassens resultater. 5. Plastikflasker er ikke 100 % tætte. Derfor siver gassen over tid ud gennem flasken. Hvilken betydning har det for klassens resultater, hvis I bruger colaer med forskellig udløbsdato? 6. ph-værdien ændrer sig lidt i løbet af eksperimentet. Hvorfor ændres ph-værdien? Forventer I, at ph-værdien er steget eller faldet? 7. Hvordan tror I, jeres resultater ville blive, hvis I brugte en meget kold sodavand? Tip: Prøv at læse afsnittet Kuk i carbonkredsløbet i elevbogen. 23

25 Lærervejledning Kapitel 2: Fra miljøsynder til eftertragtet råstof Eksperiment 2.1: Hvor meget CO 2 kan en cola frigive? Eksperiment med CO 2 på gasform Baggrundstekst Afsnittene Sodavandsbrus og is, der ikke smelter og Kuk i carbonkredsløbet Beskrivelse Eleverne skal finde mængden af den CO 2, som de kan få ud af colaen ved at ryste flasken. Ved løbende at veje colaen kan de konstatere, at massen falder, hvilket bekræfter, at der er CO 2 opløst i colaen, selvom gassen er usynlig. Forklaringer CO 2 er opløst i sodavand ved et tryk på ca. to atmosfære. Når flasken åbnes, bruser en del CO 2 ud, idet trykket i flasken udlignes med trykket udenfor. Efter det kortvarige, tydelige brus etablerer der sig en ligevægt mellem CO 2 opløst i væsken og CO 2 på gasform i luften. Ligevægten etableres kun langsomt, fordi dannelsen af CO 2 ikke sker så let frit i væsken. Boblen skal helst have en overflade, som den kan dannes på, eksempelvis en lille urenhed eller ujævnhed på indersiden af flasken. Når eleverne ryster colaflasken, ryster de flere luftbobler ned i væsken. Boblerne forøger den overflade, som CO 2 bliver dannet på. Dermed fremskynder eleverne frigivelsen af CO 2 fra colaen. Elevernes grafer kan se forskellige ud, afhængigt af hvor kraftigt de ryster flaskerne og dermed, hvor meget CO 2 der slipper ud af flasken per ryst. Efter noget tid flader graferne ud, da der opstår en ligevægt mellem mængden af CO 2 i colaen og i luften. Opløseligheden af CO 2 (g) i vand er 3,48 g/l ved 0 C og 1,45 g/l ved 25 C. Det vil sige, at kold cola (og andre sodavand) kan indeholde mere CO 2 end varm, så hvis eksperimentet blev gentaget med en iskold cola, ville eleverne ikke kunne ryste lige så meget CO 2 ud af colaen. ph stiger lidt under eksperimentet, da mængden af kulsyre falder. Det er dog ikke tilstrækkeligt til, at eleverne kan måle forskel før og efter eksperimentet. Gode råd til eksperimentets udførelse 1. Brug colaer med samme udløbsdato, så mængden af CO 2 er bedst sammenlignelig. CO 2 diffunderer igennem flasker af plastik, så over tid mister colaen noget af bruset. 2. Brug colaer med samme temperatur. 3. Sørg for, at hele klassen bruger samme værdier på y-aksen, så graferne let kan sammenlignes. Den bedste inddeling af aksen besluttes i fællesskab, når målingerne er overstået. 4. Som supplement kan eleverne bygge molekylmodeller af CO 2, H 2 0 og H 2 CO 3 samt beskrive molekylerne, idet de forklarer, hvad de forskellige kugler og pinde repræsenterer. Fejlkilder 1. CO 2 -gassen, der undslipper fra flasken, kan være mættet med vanddamp og derved give et større vægttab. Dette er dog marginalt. 2. Eleverne kan komme til at spilde cola, når de ryster flasken. 24

26 Elevvejledning Kapitel 2: Fra miljøsynder til eftertragtet råstof Eksperiment 2.2: Forbrændingsprodukter Eksperiment om forbrænding Formål I skal påvise, hvilke stoffer der dannes, når stearin brænder. I skal bruge Kobbersulfat (CuSO 4 5 H 2 O) Mættet kalkvand (Ca(OH) 2 ) Isterninger Bukkede glasrør Bunsenbrænder Cylinderglas (250 ml) Glastragt Keramisk net Plastslanger Porcelænsskål To propper med to huller To reagensglas Spatel Stearinlys Trefod Vandluftpumpe Oplæg Stearin er en kemisk forbindelse, der blandt andet indeholder grundstofferne carbon (C) og hydrogen (H). Ved forbrænding reagerer stearin med oxygen. Carbonatomerne brænder til carbondioxid (CO 2 ), og hydrogenatomerne til vanddamp (H 2 O). Det samme sker, når man brænder fossile brændstoffer af. De indeholder nemlig også masser af carbon og hydrogen og danner derfor også CO 2, når de forbrændes. I kan påvise CO 2 med mættet kalkvand. Når I bobler CO 2 gennem kalkvand, bliver det nemlig uklart. Vandet fra forbrændingen af stearin påviser I med afvandet kobbersulfat, der er gråt. Den grå farver kommer, når man fjerner vand fra det normale, blå kobbersulfat. Når det afvandede kobbersulfat kommer i kontakt med vand, bliver det blåt igen. Sådan gør I Fremstilling af afvandet kobbersulfat 1. Hæld et par spatelfulde blåt kobbersulfat i en porcelænsskål. 2. Sæt skålen på et keramisk net på en trefod, og opvarm skålen med en bunsenbrænder. Rør rundt i skålen med en spatel, til pulveret har mistet den blå farve. Påvisning af CO 2 og H 2 O 3. Hæld lidt afvandet kobbersulfat i et reagensglas. 4. Hæld mættet kalkvand i et andet reagensglas. 5. Byg den viste opstilling. Reagensglasset med kobbersulfat skal være i isvand i et cylinderglas. 6. Tænd stearinlyset, og start vandluftpumpen. 25

27 Elevvejledning Kapitel 2: Fra miljøsynder til eftertragtet råstof Herved suges forbrændingsprodukterne fra stearinlyset først gennem reagensglasset med afvandet kobbersulfat og derefter gennem glasset med mættet kalkvand. Vandampen fortætter i det kolde reagensglas. Efterbehandling 1. Hvad ser I i de to reagensglas? 2. Forklar jeres iagttagelser: 3. Hvad er en forbrænding? 4. Prøv at afstemme den simple forbrændingsreaktion af methan (CH 4 ): CH 4 + O 2 CO 2 + H 2 0 Tip: Princippet bag afstemning af reaktionsligninger er, at der altid skal være samme antal af hver type atom på begge sider af reaktionspilen. Hvis der for eksempel er fire hydrogenatomer på venstre side af pilen, det vil sige før reaktionen, skal der også være fire hydrogenatomer på højre side, altså efter reaktionen. 26

28 Lærervejledning Kapitel 2: Fra miljøsynder til eftertragtet råstof Eksperiment 2.2: Forbrændingsprodukter Eksperiment om forbrænding Baggrundstekst Afsnittet Kuk i carbonkredsløbet Beskrivelse Dette eksperiment viser, at ved afbrænding af fossile brændstoffer, for eksempel stearin, dannes CO 2 og vand. Eleverne påviser CO 2 med mættet kalkvand, mens vandampen fortættes på et koldt reagensglas og påvises med kobbersulfat. Forklaringer Stearin indeholder foruden carbon og hydrogen også oxygen. Formlen er C 17 H 35 COOH. Forbrændingsreaktionen kan skrives som: C 17 H 35 COOH + 26 O 2 18 CO H 2 O (1) Mættet kalkvand fremstilles ved at opløse 1 g calciumoxid i 500 ml demineraliseret vand. Opløsningen filtreres efter nogle timer. Koncentrationen af opløsningen bliver ca. 0,02 mol/l. Når man bobler CO 2 gennem kalkvand, dannes det faste stof calciumcarbonat (CaCO 3 ) som et bundfald. Reaktionen kan skrives som: CO 2 + Ca(OH) 2 CaCO 3 + H 2 O (2) Hvis CO 2 bobles gennem opløsningen i længere tid, kan bundfaldet genopløses som calciumhydrogencarbonat: CaCO 3 + H 2 O + CO 2 Ca(HCO 3 ) 2 (3) Kobbersulfat kan bruges til påvisning af vand. Rent kobbersulfat (CuSO 4 ) er gråt (hvidt), mens det blå kobbersulfat indeholder krystalvand. Formlen er CuSO 4 5 H 2 O. Ved opvarmning af det blå kobbersulfat fordamper krystalvandet, og farven bliver hvidlig. Ved kontakt med vand kommer den blå farve igen. Mængden af vand, der fortættes, er lille, da der ikke brændes så meget stearin af. Typisk dannes der blot nogle dråber på indersiden af det kolde reagensglas, som eleverne efterfølgende kan ryste ned på det afvandede kobbersulfat. Gode råd til eksperimentets udførelse Eksperimentet kan udvides med forbrænding af andre brændstoffer, eksempelvis et stykke træ, rapsolie (brug en forbrændingsske) eller sukker (dyppet i aske), eventuelt fordelt på de forskellige hold elever. Ved hver afbrænding kan eleverne konstatere dannelsen af CO 2 og vand og konkludere, at en forbrænding (med undtagelse af rent carbon, det vil sige kul, grafit og diamant) altid fører til dannelsen af disse to produkter. For vejledning omkring udførelsen af disse eksperimenter se eksperiment 4.3: Carbon i hverdagen. 27

29 Elevvejledning Kapitel 2: Fra miljøsynder til eftertragtet råstof Eksperiment 2.3: Vand uden brus Frigivelse af CO 2 fra vand Formål I skal undersøge frigivelsen af CO 2 fra danskvand under opvarmning. I skal bruge To flasker danskvand Bægerglas (1 liter) 1-2 termometre To elastikker To plastikposer Varmeplade FØR EFTER Opstillingen ved eksperimentets start (venstre) og afslutning (højre) Oplæg Boblerne i danskvand og andre sodavand er CO 2 på gasform. Under fremstillingen på fabrikken er CO 2 blevet opløst i vandet under tryk. Når kapslen skrues af flasken, falder trykket i flasken, og noget af gassen frigives. I kan drive mere CO 2 ud af væsken ved at varme den op. Under opvarmningen kan I opsamle den uddrevne gas i en pose, der sidder på flaskens åbning. Sådan gør I 1. Åbn flaskerne med danskvand. Sæt plastikposer fast omkring flaskernes åbninger med elastikker. 2. Fyld et bægerglas ca. halvt op med vand, og stil det på en varmeplade. 3. Stil den ene flaske i vandbadet. Plastikposen må ikke kunne nå ned på varmepladen. 4. Mål temperaturen i luften og i vandbadet. Helst med hvert sit termometer. 5. Varm vandbadet op til C ved svag varme. Hold hele tiden øje med temperaturen og poserne under opvarmningen. Hvad sker der? Skriv jeres observationer ned. 28

30 Elevvejledning Kapitel 2: Fra miljøsynder til eftertragtet råstof Forklaringer Når CO 2 opløses i vand, reagerer noget af gassen med vandet, så der opstår en ligevægt: H 2 O + CO 2 H 2 CO 3 (1) (carbondioxid) (kulsyre) Der er altså både CO 2 og kulsyre i vandet. Når vandet varmes op, falder opløseligheden af CO 2, så det frigives fra væsken som bobler. Under opvarmningen forskydes reaktionen derfor mod venstre, indtil der igen opstår en ligevægt mellem CO 2 og kulsyre, men nu med mindre kulsyre i vandet. Vandet er blevet fladt. Efterbehandling 1. Hvordan viser forsøget, at der frigives gas fra vandet? 2. Hvis verdenshavene bliver varmere, hvordan vil det så påvirke mængden af CO 2 opløst i havene? 3. Nogle verdenshave optager typisk CO 2, mens andre typisk frigiver CO 2. Kan du forklare, hvorfor der er forskel? Og kan du give nogle eksempler? Du kan bruge et verdenskort til at finde ud af, hvor de forskellige verdenshave ligger. 4. Hvor ender CO 2 frigivet fra verdenshavene? 29

31 Lærervejledning Kapitel 2: Fra miljøsynder til eftertragtet råstof Eksperiment 2.3: Vand uden brus Frigivelse af CO 2 fra vand FØR FØR EFTER EFTER Baggrundstekst Afsnittet Kuk i carbonkredsløbet (Kulsyre i havvand) Beskrivelse Når eleverne varmer danskvand op i et vandbad, frigiver danskvandet hurtigere CO 2 end den kolde danskvand, som de sammenligner med. Forskellen måles ved at montere plastikposer omkring åbningen på begge flasker. Posen på den varme danskvand bliver i løbet af forsøget pustet op, men den anden pose forbliver flad. Øvelsen demonstrerer, at opløseligheden af CO 2 i vand afhænger af vandets temperatur. Forklaringer Opløseligheden af CO 2 i vand Når CO 2 opløses i vand, danner CO 2 svage bindinger til vandmolekylerne. Hvis temperaturen i vandet stiger, mindskes styrken af bindingerne og dermed også mængden af opløst CO 2. Dette princip gælder for alle vandopløselige gasser. Opløseligheden af CO 2 i vand er 3,48 g/l ved 0 C og 1,45 g/l ved 25 C. CO 2 opløses i sodavand og danskvand ved et tryk på ca. to atmosfære. Når flasken åbnes, falder trykket. Derfor bruser en del CO 2 ud, indtil der opstår en ligevægt mellem CO 2 opløst i væsken og CO 2 på gasform i luften. Efter det kortvarige, tydelige brus etablerer ligevægten sig dog kun langsomt, fordi dannelsen af CO 2 frit i væsken ikke sker så let. Når sodavand, danskvand eller andre kulsyreholdige væsker varmes op, falder opløseligheden, og CO 2 frigives derfor hurtigere fra væsken. Vandet bliver fladt. Verdenshavene som CO 2 -reservoir Verdenshavene spiller en vigtig rolle for reguleringen af mængden af CO 2 i atmosfæren og dermed også for drivhuseffekten. Når CO 2 er opløst i vand, tilbageholder det nemlig ikke længere varme i atmosfæren. I relation til global opvarmning kan varmere have blive en del af en ond cirkel (hvis vi kun ser på temperaturens betydning). Hvis opløseligheden af CO 2 i havene falder, kan det medføre højere koncentration af CO 2 i atmosfæren, hvilket kan resultere i mere drivhuseffekt, som igen kan medføre endnu varmere have, hvorefter cyklussen starter forfra. Bevægelsen af CO 2 frem og tilbage mellem atmosfæren og verdenshavene påvirkes dog ikke blot af verdenshavenes temperatur, men også af deres dybde, bølger og vindhastigheder på havoverfladen og mængden af mikroskopiske planter og dyr i havet. Bevægelsen påvirkes naturligvis også af mængden af CO 2 i atmosfæren, der igen påvirkes af naturlige og menneskeskabte aktiviteter på landjorden. Derfor er CO 2 -balancen ikke noget simpelt regnestykke. Generelt gælder der dog, at CO 2 bevæger sig hurtigt frem og tilbage mellem havene og atmosfæren, når der er en forskel i CO 2 s gastryk i de to rum. Havene kan indeholde meget mere CO 2 end atmosfæren, fordi det meste af den opløste CO 2 reagerer med vand og derved danner kulsyre og dissociationsprodukterne hydrogencarbonat-, carbonat- og oxonium-ioner*: 30